Квантовый превосходство под вопросом: критический анализ экспериментов

от

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование ставит под сомнение обоснованность заявлений о достижении квантового превосходства, тщательно анализируя данные и методы оценки надежности в современных квантовых вычислениях.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
Для каждого из 53 кубитов Sycamore наблюдается незначительное увеличение доли измеренных единиц с увеличением глубины схемы, что противоречит модели затухания амплитуды, предсказывающей обратную зависимость, при этом анализ данных, полученных из эксперимента Google с использованием файла readоut\_raw\_data.tar, не выявляет статистически значимой тенденции, отличной от нулевой, в отличие от более поздних систем Sycamore и Zuchongzhi, демонстрирующих положительную корреляцию между глубиной схемы и долей измеренных единиц, что указывает на различия в поведении схем ABCD и EFGH.
Для каждого из 53 кубитов Sycamore наблюдается незначительное увеличение доли измеренных единиц с увеличением глубины схемы, что противоречит модели затухания амплитуды, предсказывающей обратную зависимость, при этом анализ данных, полученных из эксперимента Google с использованием файла readоut\_raw\_data.tar, не выявляет статистически значимой тенденции, отличной от нулевой, в отличие от более поздних систем Sycamore и Zuchongzhi, демонстрирующих положительную корреляцию между глубиной схемы и долей измеренных единиц, что указывает на различия в поведении схем ABCD и EFGH.

В работе проводится критическая оценка предсказаний надежности и данных, полученных в различных экспериментах на NISQ-устройствах, выявляя несоответствия и ставя под сомнение текущую валидность заявлений о квантовом превосходстве.

Несмотря на заявления о достижении квантового превосходства, статистическая обоснованность этих утверждений требует тщательного анализа. В работе ‘Further Statistical Study of NISQ Experiments’ представлено углубленное исследование экспериментов на NISQ-устройствах, включая повторный анализ данных, полученных в ходе знаменитого эксперимента Google 2019 года. Полученные результаты выявляют несоответствия в прогнозах точности и ставят под сомнение надежность текущих оценок, необходимых для подтверждения квантового превосходства. Смогут ли более строгие статистические методы обеспечить более достоверную оценку возможностей и ограничений современных квантовых вычислений?

Пределы современных квантовых процессоров

Квантовые компьютеры, несмотря на свой огромный потенциал в решении сложных задач, на данный момент сталкиваются с серьезными ограничениями, обусловленными высокой частотой ошибок. Эти ошибки возникают на различных этапах вычислений — при выполнении логических операций, считывании информации о кубитах и даже в периоды простоя. Влияние этих неточностей критически важно, поскольку они напрямую ограничивают надежность и точность результатов, полученных на квантовых системах. Пока не будет найдено эффективных способов минимизации ошибок, практическое применение квантовых компьютеров для решения реальных задач останется затруднительным, а обещания о революции в вычислениях — несбыточными. Достижение устойчивых квантовых вычислений требует значительных усилий в разработке более надежных кубитов и алгоритмов коррекции ошибок.

Квантовые вычисления, несмотря на свой огромный потенциал, сталкиваются с проблемой ошибок, возникающих из различных источников. Неточности проявляются не только при выполнении логических операций — так называемых квантовых гейтов — но и в процессе считывания состояния кубитов, а также даже во время их бездействия. Недавний анализ продемонстрировал существенные расхождения между заявленными уровнями точности в экспериментах, претендующих на достижение квантового превосходства, и фактическими данными, полученными в ходе повторного анализа. Данные несоответствия ставят под вопрос достоверность некоторых опубликованных результатов и подчеркивают необходимость более строгой верификации и стандартизации методов оценки ошибок в квантовых системах. Повышение надежности квантовых вычислений требует комплексного подхода к выявлению и смягчению влияния всех источников погрешностей, что является ключевым шагом на пути к созданию практически полезных квантовых компьютеров.

Оценка и смягчение ошибок в квантовых вычислениях является критически важным шагом на пути к созданию надежных и эффективных квантовых компьютеров, способных продемонстрировать реальное преимущество над классическими системами. Недавнее исследование выявило существенные расхождения между заявленными производителями предсказаниями точности работы квантовых схем и фактическими значениями, полученными в результате анализа опубликованных данных. Эти отклонения ставят под сомнение достоверность некоторых результатов, претендующих на демонстрацию квантового превосходства, и подчеркивают необходимость более строгого и независимого контроля над заявленными характеристиками квантовых процессоров. Тщательный анализ источников ошибок и разработка эффективных методов их коррекции представляются необходимыми условиями для реализации потенциала квантовых вычислений и перехода от теоретических возможностей к практическим приложениям.

Анализ значений RGB и частоты ошибок для отдельных кубитов и логических вентилей Sycamore-53 показывает их взаимосвязь, представленную на рисунке 2b.
Анализ значений RGB и частоты ошибок для отдельных кубитов и логических вентилей Sycamore-53 показывает их взаимосвязь, представленную на рисунке 2b.

Метод случайной выборки: проверка квантовых систем

Метод случайной выборки квантовых цепей (Random Circuit Sampling, RCS) в настоящее время является одним из ведущих способов оценки производительности квантовых компьютеров ближнего будущего. В отличие от задач, ориентированных на конкретные приложения, RCS использует случайным образом сгенерированные квантовые схемы, что позволяет проводить всестороннюю проверку работоспособности квантового оборудования и алгоритмов. Этот подход позволяет оценивать достоверность работы квантовых операций и выявлять источники ошибок, не требуя при этом разработки специализированных алгоритмов или решения сложных вычислительных задач. RCS предоставляет платформу для сравнения различных квантовых платформ и отслеживания прогресса в области квантовых вычислений, являясь важным инструментом для разработки и оптимизации квантовых компьютеров.

Метод случайной выборки по схемам (Random Circuit Sampling, RCS) предоставляет возможность оценки достоверности работы квантовых компьютеров ближнего будущего путём анализа результатов работы случайных квантовых схем. Генерируя большое количество случайных схем и анализируя распределение вероятностей выходных состояний, RCS позволяет выявлять отклонения от идеального поведения, обусловленные шумами и ошибками в квантовых операциях. Анализ этих отклонений позволяет идентифицировать источники ошибок, такие как декогеренция, неточности в управлении кубитами и ошибки в квантовых вентилях, что необходимо для разработки стратегий коррекции ошибок и улучшения производительности квантовых устройств. Эффективность RCS заключается в возможности оценки производительности без необходимости знания конкретной квантовой задачи, что делает его универсальным инструментом для тестирования и сравнения различных квантовых платформ.

Метрика XEB Fidelity, получаемая на основе данных Random Circuit Sampling (RCS), предоставляет количественную оценку производительности квантовых вычислений и чувствительна к различным источникам ошибок. Однако, анализ результатов, полученных разными исследовательскими группами, демонстрирует расхождения в значениях этой метрики. В частности, уточненная модель, разработанная в USTC, показывает соотношение 0.5-0.7, в то время как формула Google (77) дает значения в диапазоне 1.2-3.7. Данные расхождения указывают на необходимость дальнейшей стандартизации методов анализа данных RCS и уточнения моделей, используемых для оценки XEB Fidelity.

Оценка достоверности XEB и MLE показывает, что с увеличением размера схемы (количества кубитов) на квантовом процессоре Quantinuum H2 достоверность снижается, при этом различные методы обработки данных (включая винзоризацию и ограничение интервала [0, 1]) влияют на полученные результаты.
Оценка достоверности XEB и MLE показывает, что с увеличением размера схемы (количества кубитов) на квантовом процессоре Quantinuum H2 достоверность снижается, при этом различные методы обработки данных (включая винзоризацию и ограничение интервала [0, 1]) влияют на полученные результаты.

Платформы, расширяющие границы квантовых вычислений

Процессоры, такие как Sycamore от Google и Zuchongzhi от USTC, используют сверхпроводящие кубиты в качестве базовых элементов для выполнения квантовых вычислений. Данные платформы демонстрируют возможности случайного доступа к кубитам (RCS), что позволяет произвольно выбирать и манипулировать отдельными кубитами во время выполнения алгоритма. Это отличает их от некоторых других архитектур, где операции ограничены определенными связями между кубитами. Технология RCS важна для реализации сложных квантовых алгоритмов и повышения гибкости квантовых вычислений. Оба процессора показали значительные успехи в демонстрации RCS, что подтверждается результатами экспериментов и публикациями.

Процессор на основе ионных ловушек, разработанный компанией Quantinuum, демонстрирует превосходные показатели в реализации квантовых вычислений с сохранением когерентности (RCS). Он характеризуется высокой точностью выполнения операций, что критически важно для сложных квантовых алгоритмов. Данная платформа позволяет создавать приложения, требующие криптографически надежной случайности, такие как генерация ключей и безопасные коммуникации. Высокая точность и стабильность работы процессора Quantinuum делает его перспективным для реализации приложений, где важна верифицируемая случайность и надежность вычислений.

Эксперимент, проводимый Гарвардским университетом, QuEra и MIT, исследует возможности коррекции квантовых ошибок с использованием поверхностного кода (Surface Code), который представляется перспективным подходом к достижению отказоустойчивости. Анализ работы процессора Sycamore от Google показал, что вероятность возникновения ошибки, измеряемая как увеличение числа состояний $1$ на единицу времени, составляет $5.4 \times 10^{-5}$ на цикл вентила. Данный показатель является ключевым источником ошибок и ограничивает масштабируемость квантовых вычислений, подчеркивая важность эффективных методов коррекции ошибок для создания надежных квантовых компьютеров.

Оценка точности, полученная методами максимального правдоподобия (MLE) и перекрестной энтропии (XEB), демонстрирует сравнимые результаты для квантового процессора Quantinuum H2 с ионной ловушкой, при этом отображены только схемы с решениями в диапазоне [0, 1].
Оценка точности, полученная методами максимального правдоподобия (MLE) и перекрестной энтропии (XEB), демонстрирует сравнимые результаты для квантового процессора Quantinuum H2 с ионной ловушкой, при этом отображены только схемы с решениями в диапазоне [0, 1].

На пути к отказоустойчивым квантовым вычислениям

Топологические кубиты представляют собой принципиально новый подход к созданию квантовых битов, использующий экзотические квазичастицы, известные как майорановские моды без энергии. В отличие от традиционных кубитов, уязвимых к декогеренции из-за взаимодействия с окружающей средой, топологические кубиты кодируют информацию не в локальных степенях свободы, а в глобальных топологических свойствах системы. Это означает, что небольшие локальные возмущения не могут изменить квантовое состояние кубита, обеспечивая встроенную защиту от ошибок. Информация, закодированная в топологических кубитах, остается стабильной даже при наличии шума, поскольку для изменения состояния требуется значительное и скоординированное воздействие на всю систему, что существенно снижает вероятность декогеренции и открывает путь к созданию надежных и масштабируемых квантовых вычислений.

Квантовые биты, основанные на топологических принципах, предлагают беспрецедентный уровень стабильности и снижение частоты ошибок, что открывает путь к реализации полного потенциала квантовых вычислений. В отличие от традиционных кубитов, крайне чувствительных к внешним воздействиям, топологические кубиты используют особые свойства материи для защиты квантовой информации. Это достигается за счет кодирования информации не в локальных свойствах частиц, а в их топологических характеристиках — глобальных свойствах, устойчивых к локальным возмущениям. Подобный подход позволяет значительно снизить влияние декогеренции — процесса потери квантовой информации — и, как следствие, повысить надежность квантовых вычислений. В перспективе, это может привести к созданию квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для современных вычислительных машин, в таких областях, как материаловедение, фармацевтика и искусственный интеллект.

Успешная разработка и масштабирование топологических кубитов знаменует собой существенный прорыв в направлении создания отказоустойчивых квантовых компьютеров и реализации практических квантовых приложений. Новая модель, разработанная учеными из Университета науки и технологий Китая (USTC), демонстрирует коэффициент достоверности в диапазоне 0.8-1, что превосходит прогнозы, ранее представленные компанией Google. Этот результат указывает на повышенную точность моделирования квантового поведения и открывает перспективы для более надежных и стабильных квантовых вычислений. Повышенная достоверность модели USTC позволяет более эффективно исследовать и оптимизировать параметры квантовых систем, приближая момент создания практических квантовых технологий, способных решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

Эксперименты показали, что 26-кубитные патчи демонстрируют систематически более высокие значения XEB по сравнению с полными 26-кубитными схемами, что указывает на потенциальные различия в физических или инженерных характеристиках.
Эксперименты показали, что 26-кубитные патчи демонстрируют систематически более высокие значения XEB по сравнению с полными 26-кубитными схемами, что указывает на потенциальные различия в физических или инженерных характеристиках.

Исследование, представленное в статье, углубляется в критический анализ заявлений о квантовом превосходстве, выявляя несоответствия в предсказаниях точности и данных, полученных с устройств NISQ. Подобный подход к деконструкции сложных систем откликается на мысль Вернера Гейзенберга: «Самое важное — это не то, что мы знаем, а то, что мы ещё не знаем». Статья, подобно реверс-инжинирингу реальности, стремится раскрыть скрытые закономерности и ограничения текущих методов оценки, показывая, что понимание системы начинается с признания границ нашего знания. Поиск несоответствий в данных — это не просто критика, а способ расширить границы познания и приблизиться к более точной модели квантовых вычислений.

Что дальше?

Представленное исследование, подобно рентгеновскому снимку, выявляет трещины в фундаменте заявлений о квантовом превосходстве. Упор на статистическую проверку предсказаний о достоверности и анализ данных с NISQ-устройств не просто указывает на несоответствия — он демонстрирует, что критерии “превосходства” нуждаются в радикальном пересмотре. Недостаточно продемонстрировать, что квантовая система может выполнить задачу, недоступную классическому компьютеру; необходимо убедиться, что эта задача имеет смысл, а результат — реальную ценность, а не статистическую аномалию.

Будущие исследования должны сосредоточиться не на гонке за увеличением числа кубитов, а на разработке методов точной верификации квантовых вычислений. Подобно тому, как инженер разбирает механизм, чтобы понять его работу, необходимо создать инструменты для “реверс-инжиниринга” квантовых алгоритмов, выявляя источники ошибок и оценивая их влияние на конечный результат. Безопасность, в данном контексте, заключается не в усложнении систем, а в их прозрачности.

Попытки объявить победу в этой гонке, вероятно, продолжатся. Однако, истинный прогресс заключается не в громких заявлениях, а в неустанном поиске истины, даже если она окажется неприятной. Понимание системы — это и есть взлом реальности, а знание — единственный надёжный способ контролировать её.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.10722.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-12 20:38